Speicherung thermischer Energie

Motivation

Die Überbrückung zeitlicher und/oder örtlicher Diskrepanzen zwischen Wärmebereitstellung und Wärmebedarf durch geeignete Speichertechnologien ist wesentlich effizienter als die Umwandlung von Wärme in andere Energieformen. Bei der Entwicklung optimaler thermischer Speicher steht nicht nur die Maximierung der volumenbezogenen Speicherdichte im Vordergrund, sondern auch die Anpassung der Dynamik des Ladens bzw. Entladens an die vorhandenen Randbedingungen des Systems.

Typische Anwendungsbeispiele liegen beispielsweise im Bereich der Solarthermie und der Abwärmenutzung an Verbrennungskraftmaschinen. Am Fraunhofer IFAM Dresden konzentrieren sich die Arbeiten auf die Optimierung der Dynamik von Speichern mit Phasenwechselmaterialien (PCM) und die Entwicklung thermochemischer Speicher – beide Speicherarten verfügen über sehr hohe Speicherdichten.

PCM-Speicher

Hier wird in der Regel die Schmelzwärme des PCM zur Speicherung genutzt (latente Wärme/Kälte). PCM verfügen jedoch über eine geringe Wärmeleitfähigkeit, die das Ladeverhalten negativ beeinflusst. Dem kann einerseits durch den Einsatz kleiner Speicherkapseln entgegengewirkt werden. Dazu lassen sich die am Fraunhofer IFAM hergestellten metallischen Hohlkugeln mit PCM füllen und in loser oder gefügter, geometrisch variabler Struktur als Speicher einsetzen.

Alternativ dazu können in größere Speichereinheiten Wärme leitende Strukturen eingebracht werden. Dazu eignen sich metallische Schäume und Faserstrukturen, die bei minimaler Einbuße an Speicherkapazität (Porosität über 90 %) zu einer beträchtlichen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beitragen.

Thermochemische Speicher

Diese Speicher basieren auf der Ausnutzung exothermer oder endothermer chemischer Reaktionen. Das Temperaturniveau der Wärmespeicherung hängt vom Reaktionssystem ab. Von besonderem Interesse sind dabei Metallhydride, die vielfältige Synergien zur Arbeitsgruppe Wasserstofftechnologie hier am Fraunhofer IFAM Dresden eröffnen.

Der entscheidende Vorteil liegt neben der hohen Speicherdichte in der verlustfreien Wärmespeicherung über lange Zeiträume. Die Optimierung solcher Speichersysteme erfordert neben der Entwicklung und pulvermetallurgischen Aufbereitung der Speichermaterialien die detaillierte Modellierung der Stoff-, Impuls- und Energietransportvorgänge unter Beachtung der Reaktionskinetik des Stoffsystems.

Zum Leistungsangebot des Geschäftsfeldes Energie und Thermisches Management gehören:

• Thermische Charakterisierung der am Fraunhofer IFAM Dresden
  hergestellten Werkstoffe (zellulare Metalle, Speichermaterialien),

• Strömungstechnische und thermische Auslegung der
  Speichersysteme mit vereinfachten Methoden,

• Detaillierte numerische Simulation von Masse-, Stoff-,
  Impuls- und Energietransportvorgängen,

• Messtechnische Validierung kompletter Speichersysteme
  im Labormaßstab.